Пьезоэлектрический вибростенд

 

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для вибрационных испытаний изделий и калибровки датчиков. Цель изобретения - повышение точности воспроизведения вибраций за счет снижения нелинейных искажений и увеличения диапазона воспроизводимых амплитуд ускорений. Стенд содержит корпус (1), виброплатформу (2) для установки испытуемого изделия, подвешенную к корпусу посредством мембраны (3) и связанную с ним через пьезоэлектрический вибровозбудитель. Последний включает два пьезоэлемента,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si>s 6 01 М 7/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ пО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ф

О

10 14

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4785324/28 (22) 14.12.89

{46) 15.07.92. Бюл. М 26 (71) Особое конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" при Ростовском университете (72) А,А.Иванов, В.В.Янчич и А,M.Ëèìàðåâ (53) 620.178.5(088.8) (56) Иориш Ю.И. Виброметрия, M.: Машиздат, 1963, с. 635;

Авторское свидетельство СССР

М 939987, кл. В 06 8 1/06, 1982. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВИБРОСТЕНД

Ä,„ß „„1747977 А1 (57) Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для вибрационных испытаний изделий и калибровки датчиков, Цель изобретения— повышение точности воспроизведения вибраций за счет снижения нелинейных искажений и увеличения диапазона воспроизводимых амплитуд ускорений. Стенд содержит корпус (1), виброплатформу (2) для установки испытуемого изделия, подвешенную к корпусу посредством мембраны (3) и связанную с ним через пьезоэлектрический вибровозбудитель.

Последний включает два пьезоэлемента, 1747977

И=гсЬз U, 35

40 выполненные в виде коаксиально установленных по рабочей оси стенда полы цилиндров (7, 8), с радиальной поляризацией, материалы которых имеют одинаковый и ьезомодуль и одинаковые симметричные формы петель гистерезиса. Цилиндры (7, 8) соединены электрически параллельно с коммутацией электродов разной полярности. Внешний цилиндр (7) одним торИзобретение относится к испытательной технике, а именно к пьезоэлектрическим вибростендам, и может быть использовано при калибровке датчиков, а также при проведении вибрационных испытаний изделий.

Известен пьезоэлектрический вибростенд, представляющий собой полый цилиндрический вибратор, набранный из пьезоэлектрических колец. Электрически кольца соединены параллельно, а механи. чески последовательно, поэтому амплитуда колебаний цилиндра вдоль оси равна сумме колебаний отдельных колец. Нижнее кольцо склеено с массивным основанием, а верхнее с платформой для крепления испытуемых датчиков. Такой вибростенд имеет простую конструкцию, но пригоден для работы лишь на резонансной частоте и при малых весовых нагрузках.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является пьезоэлектрический вибростенд, содержащий корпус, виброплэтформу для установки испытуемого датчика, подвешенную к корпусу посредством мембраны, и связанные с .виброплатформой пьезовибраторы, снабженные концентраторами с различными резонансными частотами, расположенны- ми равномерно по окружности и имеющими 30 одну точку пересечения осей.

Вибростенд-прототип имеет высокое значение нелинейности амплитудной характеристики. Это обусловлено тем, что деформация пьезокерамики зависит от того, совпадает ли направление приложенного электрического поля с направлением поляризации и носит нелинейный гистерезисный характер. При этом нелинейные искажения от двух механически соединенных последовательно пьезоэлементов складываются и возрастают с увеличением напряженности приложенного электричеСкого поля. 45 цем соединен с корпусом, а другим — c торцам внутреннего цилиндра {8). Второй торец внутреннего цилиндра (8) соединен с в ибро платформой (2). П ри указа н ном расположении и соединении цилиндров амплитуды виброперемещений сум.мируются, так как при разном знаке поляризации один иэ них сжимается, а другой одновременно растягивается. 2 ил, Известный вибростенд имеет и другие недостатки. Рабочие концентраторы с пьезовибрэторами устанавливаются под углом к виброплатформе, Это. требует изготавливать основание в виде образующей поверхности усечейного конуса, обрабатывать которую по высокому классу точности очень сложно, Плохая обработка поверхности .: приводит к снижению контактной жесткости стыка вибратор-корпус, и как следствие к уменьшению амплитуды вибрации и резонансной частоты.

Кроме того, вибростенд-прототип имеет узкий диапазон рабочих частот и ускорений, который ограничен областью резонансов концентраторов, Нетрудно установить, что вдали от резонанса рабочая амплитуда смещения двух пьезоэлементов, использованных в конструкции равна где без — пьезомодуль керамики;

Π— прилдженное электрическое напряжение.

При использовании наиболее распространенной керамики ЦТС- 19, для которой dn равно 200 пКл/Н, и при значении электрического напряжения 100Â, развиваемого современными генераторами, получают амплитуду перемещения Nl - 0,04 мкм.

Тогда, например, для базовой частоты из диапазона 50-1000 Гц, на которой измеряют коэффициент преобразования акселерометров, это будет соответствовать ускорениям 0,004-1,6 м.с . Такие амплитуды виброускорений пригодны для калибровки ограниченного числа акселерометров, имеющих очень высокий коэффициент преобразования.

Кроме того, незначительные рабочие виброперемещения концентраторов обуславливают повышенные -требования к технологии, в частности к точности и качеству изготовления элементов конструкции виб1747977 ростенда, Очевидно, что ошибка в размерах при установке концентраторов в сотые доли микрона приводит как к искажению амплитудно-частотной характеристики вибростенда, тэк и к появлению значительных боковых составляющих колебаний из-эа неравномерной нагрузки виброплатформы.

Этот вибростенд имеет значительные габариты из-за установки пьезовибраторов под углом, необходимости изготавливать виброплатформу и основание в виде усеченных конусов, а также наличия пассйвных концентраторов.

Цель изобретения — повышение точности воспроизведения вибраций эа счет снижения нелинейных искажений и увеличение диапазона воспроизводимых амплитуд ускорений.

Для этого в пьезоэлектрическом вибростенде, содержащем корпус, виброплатформу для установки испытуемого изделия, подвешенную к корпусу посредством мембраны, связанный с виброплатформой пьезоэлектрический вибровозбудитель, включающий два пьезоэлемента, последние выполнены в виде коаксиально установ ленных по рабочей оси вибростенда с зазором между ними полых цилиндров с радиальной поляризацией, которые выпол- 1 немы из пьезоматериалов с одинаковым пьезомодулем и одинаковой симметричной формой петель гистерезиса, и соединены электрически параллельно с коммутацией электродов разной полярности, а механически — последовательно, причем один из цилиндров соединен торцом с корпусом, второй с виброплатформой, а свободные торцы цилиндров жестко соединены между собой.

На фиг.1 изображена конструкция, предлагаемого вибростенда; на фиг.2 — схема коммутации пьезоэлементов в вибраторе.

Пьезоэлектрический вибростенд содержит корпус 1, связанный с виброплатформой 2 через мембрану 3. Мембрана 3 поджимается к корпусу 1 накладным хомутом 4 при помощи винтов 5, а виброплатформа 2 вкручивается в центральную часть мембраны 3 и дополнительно фиксируется контргайкой 5.

55 следовательно

20 ный элемент устанавливают пьезоцилиндр

30

W da> U b/э

45

Пьезовибратор стенда состоит из двух коаксиально установленных по рабочей оси вибростенда с зазором между ними полых пьезоцилиндров 7 и 8 с радиальной поляризацией (поляризованных по толщине).

Цилиндры выполнены из пьезоэлектрических материалов с одинаковой симметричной формой петли гистерезиса и одинаковым пьезомодулем.

Электрически пьезоцилиндры 7 и 8 в вибраторе соединены параллельно (фиг.2) и подключаются к источнику переменного электрического напряжения (не показано).

При этом вместе скоммутированы электроды, имеющие противоположный знак поляризации (на фиг,2 отмечены знаками "+" и

"-"). Механически цилиндры соедимены поВнешний цилиндр 7 одним своим торцом прйсоединен к корпусу 1 вибростенда, э свободные торцы цилиндров 7 и 8 жестко соединены между собой и установлены с возможностью перемещения относительно корпуса. При этом цилиндры одной парой торцов установлены на соединительном элементе 9 и поджаты другими торцами к основанию и виброплатформе 2 соответственно дополнительным упругим элементом

10, размещенным между корпусом и соединительным элементом при помощи винтов

11.

Пьеэоцилиндры 7 и 8 центрируются относительно корпуса 1 виброплатформы 2 и соединительного элемента 9 фторопластовыми втулками 12 — 15.

При сборке вибростенда пьезоцилиндр

7 устанавливают на соединительный элемент 9 и поджимают к корпусу 1 дополнительным упругим элементом 10 с некоторой силой f, величину которой определяют по прогибу последнего. Затем на соединитель8, а мембрану 3 поджимают к корпусу хомутом 4. На последнем этапе сборки пьеэоцилиндр 8 прижимают к соединительному элементу 9 с усилием Р, вворачивая вибро- платформу 2 в мембрану 3 до получения необходимого прогиба последней. Виброплатформу 2 фиксируют контргайкой 6.

Пьезоэлектрический вибростенд работает следующим образом.

На пьезоцилиндры 7 и 8 подается переменное электрическое напряжение, которое они преобразуют в механическое перемещение. Так как пьезоэлементы представляют собой полые цилиндры, поляризованные по толщине, то благодаря обратному пьезоэффекту они изменяют свои линейные размеры под действием электрического напряжения на величину где бз1 — пьезомодуль керамики пьезоцилиндров, Кл/Н;

U — приложенное электрическое напряжение, В;

1747977

b — высота пьезоцилиндра,м; а — толщина стенки пьезоцилиндра, м;

Так как пьезоэлементы соединены электрически параллельно, при встречном направлении поляризации, указанном на фиг.2, то они будут изменять свои линейные размеры, совершая колебания в противофазе (один растягивается, другой сжимается и наоборот), В конструкции вибростенда жесткость дополнительного упругого элемента К», К жесткости мембраны, а сила поджатия F > Fp, Тогда, растягиваясь под действием электрического напряжения, пьезоцилиндр 7 сместит дополнительный соединительный элемент 9 и упругий элемент 10, а вместе с ним пьезоцилиндр 8 на расстояние W, Так как мембрана 3 предварительно напряжена, то, стремясь . распрямиться, получает вместе с виброплатформой 2 такое же смещение. Одновременно происходит сжатие пьеэоцилиндра 8 на величину W, что приводит к дополнительному смещению виброплатформы 2. Таким образом, суммарное смещение составляет

2\И, При сжатии пьезоцилиндра 7 происходит смещение дополнительного соединительного элемента 9 с пьезоцилиндром 8 под действием силы со стороны упругого элемента 10 на величину W. Одновременно происходит растяжение пьезоцилиндра 8 на величину W, что вызывает дополнительное смещение виброплатформы 2. Суммарное смещение как и раньше составляет 2W, Подавая на вибростенд переменное напряжение с частотой в, получают переменное смещение виброплатформы с амплитудой 2W или с ускорением а = 2 иР W.

Использование в вибраторе раэнотолщинных коаксиально расположенных пьезоцилиндров одинаковой высоты, установленных с зазором между собой, а также их электрическое параллельное соединение при разном знаке направления поляризации скоммутированных электродов озволяет уменьшить величину нелинейных искажений вибростенда.

Установка пьезоцилиндров одной парой торцов на соединительном элементе и другими торцами на корпусе и в виброплатформе позволяет включить их механически последовательно, а следовательно, получить суммарную амплитуду виброперемещения виброплатформы и расширить диапазон воспроизводимых ускорений, без дополнительного увеличения габаритных размеров.

Дополнительное упругое поджатие пьезоцилиндров к корпусу и виброплатформе с

10

15 силой F с помощью упругого элемента позволяет расширить и получить максимально возможный амплитудный рабочий диапазон стенда.

Величину этой силы F дополнительного поджатия выбирают из условия

F Збэ) 0 — — —, К, Ь о а К, где бз — пьезомодуль керамики пьезоцилиндров, Кл/Н;

U. — предельное рабочее напряжение пьезоцилиндров, В;

Ь,а —. высота и толщина стенок пьезоцилиндров соответственно, м;

F< — усилие поджатия мембраной, Н;

К,К вЂ” жесткость мембраны и дополнительного упругого элемента, Н/м соответственно.

Кроме того, выполнение вибратора в ви20 де наружного и внутреннего пустотелых, коаксиально расположенных пьезоцилиндров позволяет уменьшить габариты стенда. Диаметральный размер вибратора равен, а продольный размер незначительно превы25 шает размеры наружного пьезоэлемента, внутренний объем которого является рабочей зоной второго пьезоэлемента.

Предлагаемый. вибростенд имеет высокую осевую жесткость, большое толкающее

30 усилие и работает вдали от резонансной частоты. Это позволяет испытывать на нем изделия с большой массой, непосредственно нагружая их на виброплатформу.

Изготовленный макет вибростенда с

35 вибратором из двух пьезоэлементов высотой 71 мм, наружным диаметром 28 и

18 мм и толщиной стенки 1,5 мм из материала ЦТСН — 1, показывает следующие ос-. новные технические характеристики:

40 резонансная частота 4 кГц. амплитуда виброперемещения 0,012 мкм/В; амплитуда виброускорения на частоте 1000 Гц, при напряжении 100 В 50 м с; масса испытуемых изделий 5 кг.

45 Формула изобретения

Пьезоэлектрический вибростенд, содержащий корпус, виброплатформу для установки испытуемого изделия, подвешенную к корпусу посредством мембра50 ны, связанный с виброплатформой пьезоэлектрический вибровозбудитель, включающий два пьезоэлемента; о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности воспроизведения вибраций за

55 счет снижения нелинейных искажений и увеличения диапазона воспроизводимых амплитуд ускорений, пьезоэлементы выполнены в виде коаксиально установленных по

° рабочей оси вибростенда с зазором между

1747977

Составитель А. Майковская Редактор И; Касарда Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М. Пожо

Заказ 2497 Тираж: Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул .Гагарина„101 ними полых цилиндров с радиальной поляризацией, которые выполнены из пьезоматериалов с одинаковым пьезомодулем и одинаковой Симметричной формой петель гистерезиса и соединены электрически па- 5 раллельно с коммутацией электродов разнойполярности,амеханически -пбследовательно, причем один из цилиндров соединен торцом с корпусом, другой — с виброплатформой, а свободные торцы цилиндров жестко соединены между собой.